Влияние температуры азотирования на формирование поверхностных слоев ванадий-титанового сплава Ti–6Al–4V

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами атомно-силовой микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и рентгеноструктурного анализа исследованы особенности формирования морфологии поверхности, химического и фазового состава приповерхностных и поверхностных слоев при ионно-плазменной обработке сплава Ti–6Al–4V (ВТ6) в плазме тлеющего разряда ионов N+ в зависимости от температуры обработки. Показано, что повышение температуры образцов от 300°С до 700°С в процессе обработки приводит к увеличению параметров шероховатости поверхности Ra и Rz, обусловленному формированием на поверхности сплава нитридов титана Ti2N и TiN. На основании проведенных исследований предполагается, что формирование тонких приповерхностных слоев (~ 20 нм) при обработке в плазме азота без нагрева и с нагревом до 300°С определяется процессами окисления компонентов сплава, а при обработке с нагревом до 500°С и 700°С – процессами диффузии азота.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Л. Воробьёв

УдмФИЦ УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

В. С. Гладышева

УдмФИЦ УрО РАН

Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

С. Г. Быстров

УдмФИЦ УрО РАН

Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

П. В. Быков

УдмФИЦ УрО РАН

Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

В. Я. Баянкин

УдмФИЦ УрО РАН

Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

А. Л. Ульянов

УдмФИЦ УрО РАН

Email: Vasily_L.84@udman.ru
Россия, Ижевск

Список литературы

  1. Bai H., Zhong L., Kang L., Liu J., Zhuang W., Lv Z., Xu Y. A review on wear-resistant coating with high hardness and high toughness on the surface of titanium alloy // J. Alloys Compounds. 2021. V. 882. P. 160645.
  2. Liu X., Chu P., Ding C. Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications // Mater. Sci. Eng.: R: Reports. 2004. V. 47. P. 49–121.
  3. Li Y., Wang Z., Shao M., Zhang Z., Wang C., Yan J., Lu J., Zhang L., Xie B., He Y., Qiu J.X. Characterization and electrochemical behavior of a multilayer-structured Ti–N layer produced by plasma nitriding of electron beam melting TC4 alloy in Hank's solution // Vacuum. 2022. V. 208. P. 111737.
  4. Jiang X.J., Wang S.Z., Feng Z.H., Qi H.B., Fu H., Liu R.P. Improving vacuum gas nitriding of a Ti-based alloy via surface solid phase transformation // Vacuum. 2022. V. 197. P. 110860.
  5. Ахмадеев Ю.Х., Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Лопатин И.В., Щанин П.М. Азотирование титана ВТ1-0 в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления в различных газовых средах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 2. С. 108–112.
  6. Поболь И.Л., Олешук И.Г., Дробов А.Н., Фун С., Лиин В. Исследование формирования упрочненных слоев на титановых сплавах методом ионноплазменного азотирования // Вестник Национальной академии наук Белоруссии. Серия физико-технических наук. 2019. Т. 64. № 1. С. 25–34.
  7. Zhevtun I.G., Gordienko P.S., Yarusova S.B., Silant’ev V.E., Yudakov A.A. Producing a microporous structure on titanium alloys by means of plasma surface treatment // Protection Metals Phys. Chem. Surfaces. 2017. V. 53. P. 100–104.
  8. Tyunkov A.V., Golosov D.A., Zolotukhin D.B., Nikonenko A.V., Oks E.M., Yushkov Yu.G., Yakovlev E.V. Nitriding of titanium in electron beam excited plasma in medium vacuum // Surface Coatings Techn. 2020. V. 383. P. 125241.
  9. Ахмадеев Ю.Х., Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Азотирование технически чистого титана в тлеющем разряде с полым катодом // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. № 13. С. 24–30.
  10. Vlcak P., Sepitka J., Drahokoupil J., Tomas Horazdovsky T., Tolde Z. Structural characterization and mechanical properties of a titanium nitride-based nanolayer prepared by nitrogen ion implantation on a titanium alloy // J. Nanomaterials. 2016. V. 5. P. 1–7.
  11. Vorobyev V.L., Bykov P.V., Bystrov S.G., Kolotov A.A., Bayankin V.Ya. The effect of the chemical activity of the implanted element to metal alloy components on the formation of surface layers under ion irradiation // Diagnostics, Resource Mechanics Mater. Structures. 2023. V. 3. P. 29–43.
  12. Александров Д.А., Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Журавлева П.Л. Упрочнение поверхности титановых сплавов методом ионной имплантации и ионного модифицирования // Авиационные материалы и технологии. 2018. T. 2. C. 33–39.
  13. Шелехов E.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 8. C. 16–19.
  14. Поплавский В.В., Поболь И.Л., Дробов А.Н. Исследование процессов фазообразования при ионно-плазменном азотировании сплавов титана / Тезисы докладов 15-ой Международной конференции “Взаимодействие излучений с твердым телом”, Минск, Беларусь. 2023. C. 102–104.
  15. Дробов А.Н., Босяков М.Н., Поболь И.Л. Влияние ионно-плазменного азотирования на износостойкость и характер изменения шероховатости поверхности титановых сплавов ВТ1-0, ВТ6 и ОТ4-1 // Литье и металлургия. 2022. № 2. С. 78–83.
  16. Болгар А.С., Литвиенко В.Ф. Термодинамические свойства нитридов. Киев: Наукова Думка, 1980. С. 282.
  17. Воробьев В.Л., Быков П.В., Колотов А.А., Гильмутдинов Ф.З., Аверкиев И.К., Баянкин В.Я. Особенности формирования поверхностных слоев нержавеющей стали и титанового сплава имплантацией ионов N+ // ФММ. 2021. Т. 122. № 12. С. 1302–1308.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. АСМ-изображения морфологии поверхности исследуемых образцов: (а) – исходный образец; (б) – плазма N+ с нагревом образцов до 300°С; (в) – плазма N+ с нагревом образцов до 500°С; (г) – плазма N+ с нагревом образцов до 700°С.

Скачать (604KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Профили распределения элементов в образцах титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии (а) и после обработки в плазме азота без нагрева (б).

Скачать (68KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Профили распределения элементов в титановом сплаве ВТ6 после обработки в плазме ионов N+ с нагревом образцов до 300°С (а); 500°С (б); 700°С (в).

Скачать (111KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профили распределения азота (а) и кислорода (б) в образцах ВТ6, обработанных в плазме ионов N+ при различных режимах: исходный образец (1), плазма ионов N+ без нагрева образцов (2) и с нагревом до температур 300°С (3); 500°С (4); 700°С (5).

Скачать (71KB)
Метаданные
6. Рис. 5. РФЭ-спектр O1s, полученный с глубины ~20 нм, в образце BT6 после обработки плазмой без нагрева (a); с нагревом 300°С (б); 500°С (в); 700°С (г).

Скачать (96KB)
Метаданные
7. Рис. 6. РФЭ-спектр N1s, полученный с глубины ~20 нм, в образце BT6 после обработки плазмой без нагрева (a); с нагревом 300°С (б); 500°С (в); 700°С (г).

Скачать (71KB)
Метаданные
8. Рис. 7. РФЭ-спектры Ti2p образцов ВТ6, полученные с глубины ~20 нм, в исходном состоянии (1); после обработки плазмой без нагрева (2); с нагревом образцов до 300°С (3); 500°С (4); 700°С (5).

Скачать (77KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Дифрактограммы образцов титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии (1); после обработки в плазме ионов N+ без нагрева (2), и с нагревом образцов до температур 300°С (3), 500°С (4), 700°С (5).

Скачать (36KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Относительное изменение микротвердости образцов титанового сплава ВТ6 в результате обработки в плазме ионов N+ без нагрева (2); с нагревом образцов до температур 300°С (3), 500°С (4), 700°С (5).

Скачать (9KB)
Метаданные